ماهو النانوتكنولوجي Nanotechnology ؟
تطلق كلمة نانو باللغة الإنجليزية على كل ما هو ضئيل الحجم دقيق الجسم.
فالنانومتر يساوي واحد مليار من المتر ويساوي عشر مرات من قطر ذرة الهيدروجين،مع العلم إن قطر شعرة الرأس العادية في المعدل يساوي 80000 نانومتر. وفي هذا المقياس القواعد العادية للفيزياء والكيمياء لا تنطبقان على المادة. على سبيل المثال: خصائص المواد مثل اللون والقوة والصلابة والتفاعل،كما إنه يوجد تفاوت كبير بين Nanoscale وبين The micro .
فمثلاَ Carbon Nanotubes أقوى 100 مرة من الفولاذ ولكنه أيضاَ أخف بست مرات.
ماذا يمكن للنانو تكنولوجي أن يعمل؟؟
النانو تكنولوجي تمكن من امتلاك الإمكانية لزيادة كفاءة استهلاك الطاقة،ويساعد في تنظيف البيئة،ويحل مشاكل الصحة الرئيسية،كما إنه قادر على زيادة الإنتاج التصنيعي بشكل هائل وبتكاليف منخفضة جداَ،وستكون منتجات النانوتكنولوجي أصغر.
*ماذا يقول الخبراء حول النانو تكنولوجي؟؟
في عام 1999م،الفائز بجائزة نوبل للكيمياء "ريتشارد سمالي Richard Smalley " خاطب لجنة الولايات المتحدة الأمريكية التابعة لمجلس النواب عن علم النانوتكنولوجي تحت موضوع: "تأثير النانو تكنولوجي على الصحة،الثروة،وحياة الناس" وقال: "سيكون على الأقل مكافئ التأثيرات المشتركة لعلم الإلكترونيات الدقيقة،والتصوير الطبي،والهندسة بمساعدة الحاسوب وتكوين مركبات كيميائية اصطناعية متطورة خلال هذا القرن"
تكنولوجيا النانو تغيير حياة الإنسان نحو الأفضل
بدأ مصطلح (تقنية النانو) ينتشر، في مجال الصناعات الإلكترونية، المتصلة بالمعلوماتية. فلو تفحصنا البطاقات المستخدمة في الحواسيب اليوم، وخاصة الحواسيب المحمولة لوجدت أنها مضغوطة إلى درجة كبيرة، فالبطاقة التي لا يزيد سمكها على بضعة ملليمترات، تتكون في الحقيقة من خمس طبقات، أو لنقل رقاقات مضغوطة مع بعضها.
كما أننا لو تفحصنا الكبلات والمكثفات التي كان وزنها يقدر بالكيلوجرام، لوجدنا أن وزنها لا يتجاوز أجزاء الميللي جرام. فقد تضاءل الحجم، وتضاعفت القدرة وكل ذلك بفضل اختزال سُمك الكابلات وضغط حجم المكثفات والدارات، مما قصّر المسافات، التي تقطعها الإلكترونات، وأكسب الحواسيب، سرعة أكبر في تنفيذ العمليات.
تشير عبارة تكنولوجية النانو إلى التفاعلات بين المكونات الخلوية والجزيئية والمواد المهندسة وهي عادة مجموعات من الذرات والجزيئات والأجزاء الجزيئية عن المستوى البدائي الأول للبيولوجيا. وتكون هذه الأشياء الدقيقة بشكل عام ذات أبعاد تقل عن 100 نانومتر ويمكن أن تكون مفيدة بحد ذاتها أو كجزء من أجهزة أكبر تحتوي على أشياء دقيقة متعددة.
وعند المستوى الدقيق (النانو)، نجد أن الخواص الطبيعية والكيميائية والبيولوجية تختلف جوهرياً، وغالبا بشكل غير متوقع عن تلك المواد الكبيرة الموازية لها بسبب أن خواص الكمية الميكانيكية للتفاعلات الذرية يتم التأثير عليها بواسطة التغيرات في المواد على المستوى الدقيق. وفي الواقع أنه من خلال تصنيع أجهزة طبقا لمعيار النانومتر من الممكن السيطرة على الخصائص الجوهرية للمواد بما في ذلك درجة الانصهار والخواص المغنطيسية وحتى اللون بدون تغير التركيب الكيميائي لها.
من جهة أخرى فإن هناك العديد من الاستخدامات التي تخدم مجال الصناعات الإلكترونية مثل مجال صناعة الترانزستورات حيث بدأ مصنعو الترانزيستور في الوصول إلى الحدود الطبيعية لمدى صغر رقائق السيليكون والنحاس التي تصنع منها مثل هذه المواد، وقد ساعدت هذه التقنية هؤلاء العلماء للوصول إلى طريقة مبتكرة لتصنيع ترانزيستورات أصغر بكثير من الرقائق الحالية ليس من خلال تقليل حجم الرقائق الحالية ولكن من خلال تصنيعها من الجزيئات الفردية.
فقد ساعدت الأبحاث التي تم القيام بها بواسطة أربعة علماء يعملون في مركز الأبحاث التابع لوكالة الفضاء الأمريكية (ناسا) على تمهيد الطريق لبناء ترانزيستورات من الأنابيب الكربونية البالغة الصغر التي تم صنعها من طبقة واحدة من الذرات الكربونية يتم قياسها من خلال النانومتر (واحد نانومتر يعادل واحد على بليون من المتر).
واستنتج العلماء إمكانية تصنيع الترانزستورات من الأنابيب البالغة الصغر، وشملت اكتشافاتهم الغوارتيمية لتشكيل هذه التطبيقات، والتقنيات الجديدة لإرسال المعلومات، والمكونات الكربونية التي تعمل مثل المحطات الطرفية لمفتاح تشغيل الترانزيستور ووسائل استخدام سلاسل أنابيب النانو بالأنظمة الإلكترونية.
البديل الكربوني ومن إحدى المعايير المعروفة لتكنولوجية المعلومات هو قانون مور، الذي قام المؤسس الشريك في شركة انتل (جورودون مور) بوضعه، والذي ينص على أن عدد الترانزيستورات المتواجدة في بوصة مربعة واحدة بالدوائر المتكاملة سوف يتضاعف كل 18 شهر، إلا إن مصنعي الرقائق من المتوقع أن يصلوا قريبا إلى الحدود التقليدية للرقائق.
هذا وتتطلب تقنية التطوير الحالية لأشباه الموصلات تخفيض حجم ترانزستورات السيلكون أو ببساطة الإسراع في نظم الإرسال الحالية.
ومن غير المرجح أن يعمل هذا التوجه من الأعلى إلى الأسفل نحو نمنمة الترانزيستورات والليزر ذي الصمام الثنائي وهو مكونات البناء الجوهرية لنظم الكمبيوتر والاتصالات أن يتمكن من الوفاء بالطلب المتزايد على المعالجة والبث البالغ السرعة للمعلومات. حتى وإن تم تصنيع الرقائق بحجم صغير بشكل كاف، فإن هذه الدوائر الموضوعة بشكل مكثف بجانب بعضها البعض سوف تنبعث عنها حرارة شديدة يصعب تبريدها بشكل فعال.
وإذا استمر تخفيض حجم الرقائق، يتعين العثور على طريقة جديدة لتصنيعها، وبما أن الأنابيب الدقيقة تم اكتشافها في عام 1991، فقد قدمت نفسها كمرشح للخطوة القادمة في النمنمة أو التصغير الكبير في الحجم، وقد اهتم علماء الطبيعة بهذه الأنابيب بسبب خصائصها الإلكترونية حيث يمكنها العمل إما كمعادن أو أشباه موصلات.
وبصفتها معادن، يمكنها توصيل موجات بالغة الارتفاع بدون الانحلال والسخونة التي لا تزال تشكل مشاكل مع الأسلاك النحاسية، وبصفتها أشباه موصلات، يمكن استخدامها في الترانزيستورات الدقيقة العالية الأداء.
وعند استكشاف البدائل للطريقة التقليدية من أعلى إلى أسفل لتخفيض حجم ترانزستورات السيلكون، أدرك العلماء أن الأجهزة التي تعتمد على الأنابيب الدقيقة المنمنمة يمكن بناؤها من اسفل إلى أعلى من خلال الدقة الذرية.
تعتبر الأجهزة الناتجة عن ذلك بواسطة العلماء الآخرين نوعا جديدا من الترانزيستورات. فترانزيستور الأنابيب المصغرة تقل بمقدار 60.000 مرة عن الترانزيستور التقليدي.
وقال سريفستافا الذي قام بالتركيز على جعل الأنابيب الدقيقة تعمل مثل مفاتيح التشغيل (يمكنك وضع المزيد من الترانزستورات في مساحة صغيرة)، ويضيف إن زيادة كثافة الترانزستورات تعمل في العادة على زيادة كثافة الطاقة التي تقوم ببث حرارة كبيرة تجعل الجهاز يحرق نفسه، إلا أن الهيكل الكربوني يحتاج لطاقة أقل ولذلك يمكن تشغيل الترانزيستور بحرارة وطاقة اقل.
ومن ناحية أخرى قام العلماء بدراسة مواد تكنولوجية التصغير المحتملة، نظرياً أو من خلال محاكاة الكمبيوتر، حيث اكتشفوا مميزات ومساوئ بناء مفاتيح التشغيل والترانزستورات المنمنمة باستخدام أنابيب كربونية دقيقة متنوعة الارتباط، وسلاسل ذرية مصنوعة من الذرات الفردية أو حتى جزيئات DNA إلا أن مساهمتهم الرئيسية تمثلت في تركيزهم على بناء الأجهزة الدقيقة، وقالوا انه إذا تعين على المطورين بناء أجهزة دقيقة من الأسفل إلى الأعلى، فإنهم سوف يكونون بحاجة لتوجهات جديدة تماما نحو التطوير.
وفيما يلي بعض استنتاجات كل باحث من الباحثين الأربعة:
المطورون بحاجة لطريقة لصياغة شكل الأجهزة الدقيقة، وذلك لأن الطرق التقليدية لا يمكنها أن تصف كيفية تدفق التيار الكهربائي من خلال الجهاز الدقيق، وقام فريق الباحث انانترام بوضع غوارتيمية مبتكرة.
ركزت أبحاث الباحث نينج بشكل رئيسي على بث المعلومات حيث اكتشف أن نظام البث يمكن أن يعتمد على تسخين الإلكترونات في سلك دقيق لأشباه الموصلات بدلا عن تشغيل وإغلاق التيار الكهربائي.
بعد دراسة تكوين واستقرار وهيكل سلوك رد الفعل الإلكتروني للوصلات المختلفة في الأنابيب الدقيقة، قام سيرفستافا بابتكار سلسلة من الهياكل التي تعتمد تماما على الكربون والتي يمكن أن تؤدي كافة وظائف الأجهزة الثلاثية الطرق اللازمة لدوائر الكمبيوتر. قام ياماد بابتكار طريقة لصنع سلاسل ذرية لأشباه الموصلات خاصة بالتطبيقات الإلكترونية.
تكنولوجيا النانو والكمبيوتر
تتلخص فكرة استخدام تقنية النانو في إعادة ترتيب الذرات التي تتكون منها المواد في وضعها الصحيح، وكلما تغير الترتيب الذري للمادة كلما تغير الناتج منها إلى حد كبير. وبمعنى آخر فإنه يتم تصنيع المنتجات المصنعة من الذرات، وتعتمد خصائص هذه المنتجات على كيفية ترتيب هذه الذرات، فإذا قمنا بإعادة ترتيب الذرات في الفحم يمكننا الحصول على الماس، أما إذا قمنا بإعادة ترتيب الذرات في الرمل وأضفنا بعض العناصر القليلة يمكننا تصنيع رقائق الكمبيوتر. وإذا قمنا بإعادة ترتيب الذرات في الطين والماء والهواء يمكننا الحصول على البطاطس.
وما يعكف عليه العلم الآن أن يغير طريقة الترتيب بناء على النانو، من مادة إلى أخرى، وبحل هذا اللغز فإن ما كان يحلم به العلماء قبل قرون بتحويل المعادن الرخيصة إلى ذهب سيكون ممكنا، لكن الواقع أن الذهب سيفقد قيمته!!.
وتعتبر طرق التصنيع اليوم غير متقنة على مستوى الجزيئات. فالصب والطحن والجلخ وحتى الطباعة على الحجر تقوم بنقل الذرات في مجموعات ضخمة، مثل محاولة تصنيع أشياء من مكعبات الليجو أثناء ارتداء قفازات الملاكمة، وفي المستقبل، سوف تسمح لنا تكنولوجية التصغير أن نقوم بالتخلص من قفازات الملاكمة وان تقوم بترتيب مكونات البناء الجوهرية للطبيعة بسهولة وبدون تكلفة وفي معظم الأحيان حسبما تسمح به قوانين الطبيعة، وسوف يكون هذا الأمر حيوياً وهاماً إذا تعين علينا الاستمرار في ثورة مكونات الكمبيوتر لتمتد بعد القرن القادم، كما سوف تسمح بتصنيع جيل جديد تماما من المنتجات الأنظف والأقوى والأخف وزنا بل والأكثر دقة. ومن الجدير بالذكر أن كلمة (تكنولوجية التصغير) أو (نانو تكنولوجي) أصبحت شائعة إلى حد كبير ويتم استخدامها لوصف العديد من أنواع الأبحاث حيث تكون أبعاد المادة المصنعة اقل من 1.000 نانومتر، على سبيل المثال التحسينات المستمرة في الطباعة على الحجر نتج عنها عرض خطوط أقل من ميكرون واحد. ط
فالكثير من توجهات التحسن في قدرة وحدات ومكونات الكمبيوتر ظلت ثابتة خلال الـ 50 سنة الأخيرة وهناك اعتقاد شائع أن هذه التوجهات سوف تستمر على الأقل لعدة سنوات، وبعد ذلك سوف تصل الطباعة الحجرية إلى حدودها في ذلك الوقت.
فإذا تعين علينا الاستمرار في هذه التوجهات يجب أن نقوم بتطوير تكنولوجية تصنيع جيدة تسمح لنا ببناء أنظمة كمبيوتر بشكل غير مكلف بواسطة كميات من العناصر المنطقية التي تكون جزيئية في كل من الحجم والدقة، ومرتبطة ببعضها البعض من خلال أنماط معقدة وبالغة الحساسية. وسوف تسمح تكنولوجية التصغير بالقيام بذلك. ويمكننا استخدام مصطلح (تكنولوجية التصغير الجزيئية) أو (التصنيع الجزيئي) بدلا عن (النانو تكنولوجي) ولكن أيًّا كان المصطلح الذي نقوم باستخدامه، فإنه يتعين عليه أن يسمح لنا بان نقوم بشكل جوهري بوضع كل ذرة في المكان الصحيح، وان نجعل كل هيكل متناسق مع قوانين الطبيعة التي يمكن أن نحددها بالتفاصيل الجزيئية، مع عدم تجاوز تكاليف التصنيع بشكل بالغ لتكلفة المواد الخام والطاقة المطلوبة.
ومن الواضح أننا سوف نكون سعداء بأي طريقة تحقق بشكل متزامن أول ثلاثة أهداف، إلا أنه يبدو انه من الصعوبة استخدام بعض أنماط التركيب المكاني (أي وضع أجزاء الجزيئات الصحيحة في المكان الصحيح) وبعض أشكال النسخ المتطابقة الذاتية (لتقليل التكلفة). وتنطوي الحاجة للحصول على التجميع المكاني على الاهتمام بالآليات الجزيئية (أي الأجهزة الآلية التي تكون جزيئيه من حيث حجمها ودقتها). ومن المحتمل أن تقوم هذه الآليات المكانية على النطاق الجزيئي بإعادة تجميع النسخ البالغة الصغر من الأجزاء المقابلة لها الميكروسكوبية. ويتم استخدام التجميع المكاني بشكل متكرر في التصنيع الميكروسكوبي اليوم مع ربط كلتا يديك خلف ظهرك! ففكرة السيطرة على وضع الذرات الفردية والجزيئات لا تزال حديثة، إلا انه يتعين علينا أن نستخدم على المستوى الجزيئي المفهوم الذي بين فعاليته على المستوى الميكروسكوبي، ونجعل الأجزاء تذهب إلى المكان الذي نريد منها الذهاب إليه.
وينجم عن شرط التكلفة المنخفضة اهتمام بأنظمة تصنيع النسخ المتطابقة ذاتياً، حيث يمكن لهذه النظم القيام بعمل نسخ عن نفسها وتصنيع منتجات مفيدة. فإذا أمكننا تصميم وبناء هذا النظام، فإن تكلفة تصنيع هذا النظام وتكاليف تصنيع الأنظمة المشابهة والمنتجات التي تعمل على إنتاجها (بافتراض قدرتها على إنتاج نسخ عن نفسها في بيئة غير مكلفة بشكل معقول) سوف تكون منخفضة للغاية.
تكنولوجية IBM للتصغير
تهدف أبحاث شركة IBM في مجال تكنولوجية التصغير إلى تصميم مكونات وهياكل ذرية جديدة على المستوى الجزيئي لتحسين تكنولوجيات المعلومات، بالإضافة إلى اكتشاف وفهم أساسها العلمي. ومن خلال ريادة تطوير تكنولوجية التصغير أو النانو، استطاع علماء شركة IBM وضع دراسات لهذه التكنولوجيات على مستوى النانو أو التكنولوجية القزمية. وعلى وجه التحديد، فإن الأنابيب الكربونية المصغرة ومسبار الفحص الذي تم إنتاجه من ميكروسكوب الطاقة الذرية يقدم وعداً بتمكين تحسين الدوائر ووسائل تخزين البيانات.
ويؤدي البحث في جزيئات النانو إلى تطبيقات في الطب الطبيعي بالإضافة إلى التخزين على القرص الصلب للكمبيوتر.
ومما يذكر أن الأبحاث في مجال تخزين المعلومات بواسطة تكنولوجية النانو الميكانيكية، مثل مشروع شركة IBM الذي يطلق عليه MILLIPEDE سوف تستمر في زيادة احتمالات زيادة كثافة التخزين الهوائي.
علم لا يزال في المهد
وتستخدم تقنية (النانو) الخصائص الفيزيائية المعروفة للذرات والجزيئات لصناعة أجهزة ومعدات جديدة ذات سمات غير عادية وعند إحكام قبضة العلماء على جوانب هذا العلم الخارق يصبح في حكم المؤكد تحقيق إنجازات تفوق ما حققته البشرية منذ ظهورها على الأرض قبل ملايين السنين. ويقول الخبراء أن تقنية النانو تعد البشرية بثورة علمية هائلة قد تتغير معها ملامح الحياة في جميع النواحي الصحية والتعليمية والمالية.. الخ، بما يجعل الحياة أفضل، ويساعد في التخلص من الأمراض المستعصية التي يعاني منها الناس على مدى قرون طويلة.
كذلك ستعمل النانو على تحسين أساليب الإنتاج الزراعي والصناعي وتخفض التكاليف على نحو غير مسبوق مما يعني مزيدا من الراحة ونهاية المتاعب لإنسان العصر.
هذا وتشهد المختبرات في الوقت الراهن سباقاً محموماً بين الباحثين يهدف لوضع مخطط تفصيلي عام يوضح وظائف (طرق عمل البروتينات في إطارها الكيميائي فيما يهتم الفيزيائيون بدراسة هياكل هذه المواد وخصائصها الوظيفية وذلك بهدف تركيب البروتينات بنسخ صناعة ذات خصائص جديدة وبجزيئات أكبر وأكثر تعقيداً ويحصر الباحثون مهامهم في الوقت الحالي في تصميم روبوت ضئيل الحجم قادر على تحريك الجزيئات وذلك حتى يكون ممكنا لها مضاعفة ذاتها بشكل آلي دون تدخل العوامل الخارجية. وفيما يتعلق بجسم الإنسان يتوقع أن تعمل تقنية النانو على مكافحة أمراض الجسم وإعادة إنتاج الخلايا الميتة ومضاعفتها والقيام بدور الشرطي في الجسم لحماية الأجهزة لتدعيم جهاز المناعة لدى الإنسان.
تكنولوجيا المنمنمات..ثورة صناعية ثانية
لقد كان هناك تساؤل يثار منذ فترة بعيدة عن التطورات التي يمكن أن تحدث في مجال التصنيع إذا ما تمكن الإنسان من السيطرة على الذرة بشكل جيد والاستفادة منها كما ينبغي عن طريق تحريكها؟ وكان أول من أثار هذا التساؤل عالم الفيزياء ريتشارد فينمان حيث تساءل عن (ماذا سيحدث إذا أصبح بمقدور العلماء ترتيب الذرات بالطريقة التي يريدونها؟).
جاء ذلك في إطار إعلانه عن ظهور تقنية حديثة في مهدها الأول في ذلك الوقت، سميت بالتقنية النانوية أو النانوتكنولوجيا (Nanotechnology) . ولقد مضى على إعلان (فينمان) ما يربو على أربعة عقود من الزمان حتى الآن، وبالرغم من أن التطور في هذه التقنية قد تأخر نسبياً بالمقارنة بالتقدم المطرد في علوم الكمبيوتر مثلا، لكن هذه التقنية عاودت الظهور بكثافة عالية مؤخراً، على هيئة مبتكرات وتقارير علمية في كثير من المطبوعات العلمية العالمية.
لكن هناك ثمة اتفاقا على أن عام 1990م هو البداية الحقيقية لعصر التقنية النانوية، ففي ذلك العام، تمكن الباحثون في مختبر فرعي لإحدى شركات الإلكترونات العالمية العملاقة من صنع أصغر إعلان في العالم، حيث استخدموا 35 ذرة من عنصر الزينون في كتابة اسم الشركة ذي الحروف الثلاثة على واجهة مقر فرعها بالعاصمة السويسرية! ويتنبأ العلماء بمستقبل واعد لهذه التقنية، التي باتت الدول الصناعية في أوروبا واليابان والولايات المتحدة تضخ إليها ملايين الدولارات من أجل تطويرها.
والولايات المتحدة وحدها التزمت هذا العام بتخصيص أكثر من 497 مليون دولار للتقنية النانوية واستخداماتها، كما أن شركات الكمبيوتر الكبرى المهتمة بالبحث العلمي، مثل (هيوليد باكارد) و(آي بي إم) و(ثري إم) تقوم بتخصيص ما يصل إلى ثلث المبالغ المخصصة للبحوث العلمية على التقنية النانوية.
وقد ظهرت عدة تقارير علمية دفعة واحدة، واحتلت أبحاث النانوتكنولوجي باباً كاملاً في مجلة العلم الأمريكية (ساينس) في تشرين الثاني نوفمبرِ (2000م)، ثم تلاها عدة تقارير في مطبوعات علمية أخرى كمجلة الطبيعة (نيتشر).
الطب والنانو تكنولوجيا
تُقاس الخلايا بالميكرونات، ويساوي الميكرون الواحد مليون جزء من المتر، وتقاس الذرات بالنانومتر الذي يعادل الواحد منه مليار جزء من
المتر أو واحدا على 80 ألف جزء من عرض شعرة الإنسان. وترمي النانو-تكنولوجيا إلى بناء وتسخير أشياء على المستوى الذري
(من حيث الحجم). وكما يعبر الدكتور جاك جودي أستاذ الهندسة الكهربائية بجامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس
University of California, Los Angeles، هناك تصوران لنمو
النانو-تكنولوجيا؛ أولاهما ما يسميه بتكنولوجيا استقطار الثمالة، حيث يسعى مهندسو الجزيئات إلى تشكيل بنيات من النانو- تكنولوجيا تم إنتاجها الواحدة بعد الأخرى من وحدات جزيئية. أما التصور الثاني فيقوم على تصغير التكنولوجيات الموجودة إلى الحد الأقصى. وقد نشأ النوع الأخير من علوم وتطبيقات الإلكترونيات الدقيقة، وتعرف مخترعاته باسم الميمات MEMS.
يقول جودي: "ظلت تكنولوجيا التصنيع المستخدمة في صنع الميمات تتطور باستمرار بفضل صناعة الدوائر الكهربية المتناهية الصغر. ولقد أصبح من الممكن الآن إنتاج بنيات كهربية أو ميكانيكية أو سائلة تتميز بدقة الحجم بصورة تكاد تكون متناهية، إذ ننتج من الزجاج أو السيلكون وحدات ومعدات أصغر حجما من الميكرون". وهذا يعني أن الآلات المعقدة يجرى استبدالها بأخرى أصغر فأصغر حجما.
في الوقت الحاضر يعمل الدكتور جودي في مجالٍ من التكنولوجيا لعزل الخلايا ومراقبة وظائفها الفسيولوجية، ويقول عن مشروعه: "إن تعريض الخلية لمؤثرات الإشعاع أو درجة الحرارة أو معدلات تدفق السوائل أو الكيماويات الأخرى سيغيّر البيئة الخلوية الخارجية. وحاليا يتم كل ذلك ولكن بوتائر بطيئة جدا. إلا أن التكنولوجيا التي نعكف على تطويرها تسمح باستخدام عدد كبير من الخلايا في وقت واحد، وهذا بدوره يسمح للعلماء بدراسة سلوكيات الخلية بدقة أكبر مما كان متوفرا في الماضي. فقد كانوا آنذاك يستطيعون مراقبة ما يحدث خارج الخلية دون أن تكون لديهم أية فكرة عما يحدث بداخلها".
الأداة المفضلة لدى جودي هي الرقاقة البيولوجية وهي قطعة صغيرة مربّعة من الزجاج مساحتها سنتيمتر في سنتيمتر، وبها قنوات صغيرة تستطيع أن تعزل الخليّة والمنافذ المتصلة بالخليّة. ويستطيع العالم أن يراقب ما يحدث للخلية عن طريق المجهر. ويخبرنا جودي أن شركات تصنيع الأدوية تبدي اهتماما كبيرا بهذه التكنولوجيا التي يعمل على تطويرها لأنها ستسمح لتلك الشركات بتطوير مكتشفاتها في علم وصناعة الدواء.
يقول توماس ويبستر، المهندس البيولوجي والأستاذ المساعد في جامعة بردو Perdue University: "إن إيصال الدواء إلى الجسم هو واحد من أول تطبيقات النانو-تكنولوجيا المرشحة للاستخدام. وعن طريقها يمكن أن ندخل إلى الخلية جرعة دوائية يقل حجمها عن 100 نانو متر دون أن تلفت النظر". والواقع أنه يمكن إعطاء الأدوية للمرضى على هيئة أقراص يقاس حجمها بالميكرون تقوم بإطلاق الدواء على الخلايا المستهدفة. والنظرية المعتمدة هنا هي أن فاعلية الدواء تزداد إذا كانت كمياته متناهية الصغر بهذا الشكل. وكلما تضاءلت الجرعة الدوائية كلما قل ضررها على المريض لأنها لن تستهدف حينها إلا الخلايا المسببة للمرض أو للعدوى.
ويبحث ويبستر أيضا في وسائل استخدام المواد النانوية لترميم وإصلاح الأنسجة الطبيعية، إذ برهنت الوسائل التقليدية مثل زرع العظام والأوعية الدموية على عجزها عن توفير النعومة واستواء السطح الذي يتوافر باستخدام المواد النانوية. ويقول وبستر: "لقد وجدنا أن البيئات النانوية تساعد الجسم على إعادة إنتاج نفسه بصورة أفضل سواء في مجال العظام أو الأوعية الدموية أو الغضروفيات وخلايا المثانة. ولقد جرى إثبات كل ذلك عمليا. ومن المتوقع أن تتوسع استخداماتها في الجسم البشري في وقت قريب نسبيا". كما أنه من المتوقع أن تبقى المواد الجديدة عاملة داخل الجسم لمدة أطول من مدة الـ15 عاما المتاحة حاليا لمعظم أشكال استزراع الأعضاء التقليدية.
تهتم جنيفر ويست الأستاذة المساعدة لقسم الهندسة البيولوجية بجامعة رايس Rice University بمدينة هيوستن بولاية تكساس والمختصة بأبحاث علاج السرطان وإطالة عمر المصابين به. وتجري أبحاثها على مادة تعرف باسم القشور النانوية تتميز بقدرتها على التشبّع بالضوء من الدرجة فوق الأشعة الحمراء، والمعروف بقدرته على التغلغل في الجسم إلى أعماق كبيرة. وتشرح جنيفر العملية قائلة: "نقوم بحقن القشور النانوية بشكل منتظم ونتركها تتحرك خلال الجسم لتصل إلى الخلايا السرطانية وتلتحم بها، ثم نقوم بتسليط أشعة قريبة من الأشعة فوق الحمراء عبر الأنسجة، وبسب ذلك ترتفع حرارة القشور النانوية. وتخلق فتحات مسامية في غشاء الخلايا السرطانية فتلتحم بها وتسبب موتها".
وتضيف جنيفر ويست: "إن ذلك تطبيق مدهش للنانو- تكنولوجيا. وقد رأينا حالات شفاء كامل من الأورام في الفئران والحيوانات المعملية الأخرى التي كنا نجري تجاربنا عليها، ومنها ما عاش لشهور وشهور دون أن تعود الأعراض التي كان يعاني منها إلى الظهور".
يتوقع العلماء أن تصبح النانو-تكنولوجيا في المستقبل القريب جزءا أصيلا من الممارسة الطبية اليومية خاصة في مجال توصيل الدواء. ومع ذلك نجد جنيفر ويست تحذر من أن ذلك لن يحصل في القريب العاجل إذ تقول: "لا زلنا على مبعدة عدة عقود من تلك الآلات الدقيقة التي تسبح عبر أجسامنا لتقاتل البكتيريا والفيروسات وتحول كل البشر إلى مخلوقات صحيحة معافاة
فيروسات في حجم الديناصورات!
قام العلماء بتكبير صور الدقائق والجسيمات والكائنات المتناهية في الصغر كالبكتيريا والفيروسات إلى أحجام تصل لحجم ملعب كرة القدم. وتمكنوا عن طريق تقنيات متقدمة؛ من رؤية المناظر بطريقة طبيعية ثلاثية الأبعاد والتفاعل معها، بل لقد قام أحدهم بوخز بعض البكتريا الموحلة في بعض الأوساط الغذائية ووخز أنابيب الكربون التي لا يتعدى حجمها النانومتر (النانو = جزء من البليون من المتر).
وأطلق على الآلة الجديدة " نانومانيبيولاتور"nanoManipulator)) أو المعالج النانومتري، ومكنت هذه الآلة الحديثة العلماء من السباحة في عالم متناه في الصغر، عن طريق ارتداء منظار خاص. وتقبع النسخة الأكثر تقدّما من النانومانيبيولاتور في قسم الفيزياء بجامعة نورث كارولينا في "تشابل هل". ولقد تم استخدام أحدث التقنيات المتقدمة في العالم اليوم لابتكار هذا الجهاز(أحدث تقنيات الحقيقة الافتراضيّة وأحدث مسبر (مجس) حسيّ دّقيق، الذي سمح للعلماء أن يلمسوا ويشعروا بجزيئات متناهية الصغر).
يقول "إيرك هينديرسون" الأستاذ في جامعة ولاية إيوا بعد زيارته لحرم الجامعة لاختبار جهاز "النانومانيبيولاتور": هذا الجهاز يشعرك بأنك تطير بين الجزيئات، ويجعل الكروموزومات تبدو هائلة مثل حجم سلسلة جبال. ويقول "ريتشارد سوبرفاين" أستاذ الفيزياء في جامعة نورث كارولينا، الذي أشرف على الفريق المطوّر لجهاز "النانومانيبيولاتور": إنّ لديه غرضا عمليّا أهم للباحثين وهو يتمثل في توفير الوقت والجهد والمال؛ حيث يمكنهم هذا الجهاز من عمل تجربة ما؛ يلاحظون ويلمسون نتائجها فورًا ويشاهدون مفرداتها على الطبيعة في ثوان معدودة.
كيف تطوّر النانومانيبيولاتور؟!
“النانومانيبيولاتور" هو ثمرة تعاون بين باحثي العلوم الطّبيعيّة ومجموعة من خبراء علم الكمبيوتر. ولقد بدأ العمل الفعلي لإنتاجه في نهايات الثمانينيات، عندما بدأ العلماء العمل على تطوير نوع جديد لمجهر سُمي "بالمجهر المسبر الماسح". وبدلاً من استعمال أمواج الضوء أو الإلكترونات لفحص عيّنة ما وتكوين صورة محسوسة لها، يقوم هذا المجهر بتحسس العيّنة مباشرةً عن طريق مسبرّ متناه في الصغر؛ يتمثل في نقطة لا يتعدى حجمها حجم الجزيء. ويمسح هذا المجس سطح العيّنة برقّة؛ مثلما يقرأ العميان بأصابعهم على طريقة بريل. وتظهر النتيجة في الحال على هيئة صورة مجسمة ثلاثية الأبعاد يمكن تكبيرها إلى أحجام تزيد عن المليون ضعف؛ بالرغم من أنها لا يزيد حجمها الأصلي عن بضع من النانومترات.
بدأ "روبينيت وارين" باحث علم الكمبيوتر في جامعة نورث كارولينا العمل الفعلي في هذا المشروع في أوائل التسعينيات عندما كان يبحث عن طريقة لاستعمال تكنولوجيا الواقع الافتراضيVirtual Reality) )، وقد كلّف "روبينيت" طالبا للدّراسات العليا بالعمل على إيجاد وسيلة تطبيقية لهذا المجال. ثم تطور المشروع ليصبح مشروعا مشتركا بين عدة أقسام علمية في جامعة نورث كارولينا.
يتضمن النانومانيبيولاتور آلة مشيرة تبدو مثل عصا قيادة السيارات، وتتصل هذه الآلة بكمبيوتر شخصيّ مزود ببطاقة رسم بيانيّ متقدمة للغاية، تقوم بتحويل بيانات المجهر لتعرضها على هيئة صورة ثلاثية الأبعاد ذات ألوان متعدّدة، ويمكن هذا المجس الدقيق العلماء من أن يلمسوا ويشعروا بمعالم الأشياء الصغيرة التي يدرسونها، ولقد شعر العلماء بالحوافّ الصّغيرة والفجوات المتواجدة في جزيئات البروتين، وبلزوجة بعض أنواع البكتريا الممرضة. كما استطاع الفيزيائيّون دراسة أنابيب الكربون الدقيقة أو النانوتيوب nanotubes) ) التي قد تشكّل أجزاء للآلات الإلكترونيّة الصغيرة والماكينات يومًا ما. ولقد شاهد الكيمائيون شجار الذّرّات داخل أنابيب الكربون الدقيقة، مما حدا بهم بالتفكير في عمل محركات صغيرة عن طريق حث هذه الأنابيب لتتحرك مثل أسنان التّرس.
ويقول "سين واشبرن" أستاذ فيزياء وعلوم الموادّ في جامعة نورث كارولينا: إنّ فريق النانومانيبيولاتور قد تعلّم كثيرا من القواعد الفيزيائية التي تحكم حركة الجسيمات الدقيقة، على سبيل المثال الجزيئات الصغيرة لا تتأثر بالجاذبيّة، ولكنهاّ تتأثر بشدة بالقوانين الفيزيائية الأخرى مثل اللّزوجة.
تكنولوجية النانو وعلاج السرطان
يمكن للأجهزة الدقيقة أن تعمل بشكل جذري على تغيير علاج السرطان إلى الأفضل وان تزيد بشكل كبير من عدد العناصر العلاجية، وذلك لأن الوسائل الدقيقة، على سبيل المثال يمكن أن تعمل كأدوات مصممة حسب الطلب تهدف لتوصيل الدواء وقادرة على وضع كميات كبيرة من العناصر الكيميائية العلاجية أو الجينات العلاجية داخل الخلايا السرطانية مع تجنب الخلايا السليمة وسوف يعمل ذلك بشكل كبير من تخفيض أو التخلص من المضاعفات الجانبية السلبية التي تصاحب معظم طرق العلاج الحالية للسرطان.
وهناك مثال جيد من العالم البيولوجي وهي كبسولة الفيروس، المصنعة من عدد محدد من البروتينات، كل منها له خصائص كيميائية محددة تعمل معا على إنشاء وسيلة متعددة الوظائف دقيقة لتوصيل المواد الجينية. سوف تعمل تكنولوجية التصغير على تغيير أساس تشخيص وعلاج والوقاية من السرطان، ومن خلال الوسائل الدقيقة المبتكرة القادرة على القيام بوظائف طبية بما في ذلك الكشف عن السرطان في مراحله المبكرة وتحديد موقعه في الجسم وتوصيل الأدوية المضادة للسرطان إلى الخلايا السرطانية وتحديد إذا كانت هذه الأدوية تقتل الخلايا السرطانية أم لا.
تطوير خطة تكنولوجية التصغير لمعالجة السرطان
تقوم خطة تكنولوجية التصغير لمعالجة السرطان على تزويد دعم مهم في هذا المجال من خلال مشاريع داخلية وخارجية ومعمل لتوحيد مقاييس التكنولوجية الدقيقة الذي سوف يعمل على تطوير معايير هامة لأجهزة ووسائل التكنولوجية الدقيقة التي سوف تمكن الباحثين من تطوير واجهات عمل متعددة الوظائف وتقوم بمهام متعددة.
قنابل نانوية لتفجير الخلايا السرطانية
طور علماء من مركز السرطان (ميموريان كيتيرنج) الأمريكي قنابل مجهرية ذكية تخترق الخلايا السرطانية، وتفجرها من الداخل. استخدم العلماء بقيادة (ديفيد شينبيرج) التقنية النانوية في إنتاج القنابل المنمنمة، ومن ثَم استخدامها في قتل الخلايا السرطانية في فئران المختبر. وعمل العلماء على تحرير ذرات مشعة من مادة (أكتينيوم 225) ترتبط بنوع من الأجسام المضادة من (قفص جزيئي)، ونجحت هذه الذرات في اختراق الخلايا السرطانية ومن ثم في قتلها.
وأكد (شينبيرج) أن فريق العلماء توصل إلى طريقة فعالة لربط الذرات بالأجسام المضادة ومن ثَم إطلاقها ضد الخلايا السرطانية. واستطاعت الفئران المصابة بالسرطان أن تعيش 300 يوم بعد هذا العلاج، في حين لم تعِش الفئران التي لم تتلقَّ العلاج أكثر من 43 يوماً.
وتوجد في كل (قنبلة) خلية ذات عناصر إشعاعية قادرة على إطلاق ثلاث جزيئات عند اضمحلالها. وكل جزيئة من هذه الجزيئات تطلق ذرة (ألفا) ذات الطاقة العالية، لذلك فإن وجودها داخل الخلية السرطانية يقلص من احتمال قيام ذرات ألفا بقتل الخلايا السليمة.
وتم تجريب الطريقة على خلايا مستنبَتة مختبرياً من مختلف الأنواع السرطانية التي تصيب الإنسان، مثل الأورام السرطانية في الثدي والبروستاتة وسرطان الدم. وستجرَّب الطريقة أولا في مكافحة سرطان الدم بعد أن تأكد العلماء أن التجارب على الفئران سارت دون ظهور أعراض جانبية.
(النانوبيوتيك).. أحدث بديل للمضاد الحيوي
توصل العلماء الأمريكيون إلى طريقة علمية جديدة لمكافحة البكتيريا القاتلة التي طورت مقاومة ضد المضادات الحيوية، وللبكتريا القاتلة الفتاكة التي طورت مناعة ذاتية للمضادات الحيوية، والبكتريا المحورة وراثيا المستخدمة عادة في الحرب البيولوجية. ويعتبر هذا النوع الجديد من الأدوية الذكية بديلا غير مسبوق للمضادات الحيوية، ويساعد على حل مشكلة مقاومة هذه الأنواع البكتيرية للأدوية.
ومن المعروف أن الجراثيم نشطت المقاومة للأدوية؛ بسبب إفراط المرضى في استخدام المضادات الحيوية، وعدم إدراك الأطباء لقدرة البكتيريا الكبيرة على تطوير نفسها لمقاومة المضادات الحيوية، كما تدخلت علوم الهندسة الوراثية والمناعة والكيمياء الحيوية في هندسة بعض الكائنات وراثياً بحيث لا تؤثر فيها المضادات الحيوية، كما لا تؤثر فيها الطعوم أو اللقاحات التي تم تحضيرها بناء علي التركيب الجيني للكائنات الطفيلية المُمرِضة العادية . وكانت منظمة الصحة العالمية قد أصدرت مؤخراً تحذيراً من أن جميع الأمراض المُعدية تطور مناعة ضد المضادات الحيوية بصورة منتظمة.
مخاوف حول التأثيرات الممكنة على الصحة الإنسانية والبيئة:
إيريك دريكسلر Eric Drexler العالم الذي وضع أسس النانو تكنولوجي حذر من التطوير القوي جداَ والتقنيات الخطيرة،في كتابه Engines of Creation ،تصور دريكسلر بأن الجزيئات الذاتية الإستنساخ التي عمل بها الناس قد تتجنب سيطرتنا. ولو أن هذه النظرية أساءت إلى سمعة الباحثين في هذا الحقل على نحو واسع،والعديد من المخاوف تبقى بخصوص تأثير النانو تكنولوجي على الصحة الإنسانية والبيئية بالإضافة إلى تأثير الصناعة الجديدة. يقلق النشطاء بإن العلم وتطوير النانو تكنولوجي سيتقدمان سريعاَ ويستطيعان إبتكار الإجراءات التنظيمية المناسبة.
*فكرة استخدام النانو
وتتلخص فكرة استخدام تقنية النانو في إعادة ترتيب الذرات التي تتكون منها المواد ، وكلما تغير الترتيب الذري للمادة كلما تغير الناتج منها إلى حد كبير.
وبمعنى آخر فإنه يتم تصنيع المنتجات المصنعة من الذرات، وتعتمد خصائص هذه المنتجات على كيفية ترتيب هذه الذرات،فيمكننا الحصول على الماس من الفحم بعد تغيير ترتين الذرات به، وكذلك يمكننا الحصول على رقائق الكمبيوتر من اعادة ترتيب ذرات الرمل.
والغريب جدا فى هذا الامر اننا يمكن ان نحصل على البطاطس من الماء او الهواء او الطين!. وما يعكف عليه العلم الآن أن يغير طريقة الترتيب بناء على النانو، من مادة إلى أخرى، وبحل هذا اللغز فاننا قد نحصل على مواد زهيدة الثمن من مواد رخيصة مثلا كالنحاس او الرصاص، لكن الواقع أن الذهب سيفقد قيمته في هذه الحالة.
وتتمثل قاعدة التقنيات النانوية العلمية في مسألتين، الأولى بناء المواد بدقة من لبنات صغيرة، والحرص على مرحلة الصغر يؤدي الى مادة خالية من الشوائب ومستوى أعلى جدا من الجودة والتشغيل.
والثانية أن خصائص المواد قد تتغير بصورة كبيرة عندما تتجزأ الى قطع أصغر وأصغر، وخصوصا عند الوصول الى مقياس النانو أو أقل، عندها قد تبدأ الحبيبات النانونية اظهار خصائص خيالية غير متوقعة ولم تعرف من قبل أى غير موجودة في خصائص المادة الأم.
*التطبيقات العامة للنانو تكنولوجى
- فى مجال الفضاء
باستخدام النانو تكنولوجى من المتوقع ان يكون الانتقال للفضاء اقل كلفة مما كان عليه سابقا.
للتفاصيل
http://www.understandingnano.com/space.html
- فى مجال الاغذية تم تطبيقها على بعض صناعات الاغذية سواء حفظها او تعليبها كما انها تقلل من مخاطر البكتريا الضارة على الصحة عن طريق قتل البكتريا من صناديق الحفظ لمزيد من التفاصيل
http://www.understandingnano.com/food.html
- فى مجال الالكترونيات يمكن تقليل وزنها وتقليل استهلاكها للطاقة
للتفاصيل
http://www.understandingnano.com/nanotechnology-electronics.html
- فى مجال خلايا امتصاص الطاقة الشمسية
اصبحت اكتر كفءا من الاخرى التقليدية
http://www.understandingnano.com/solarcells.html
- فى البطاريات
http://www.understandingnano.com/batteries.html
- كوقود
يمكن استخدامها فى زيادة كفاءة المحفزات كالاتى
http://www.understandingnano.com/fuel.html
- فى تنقية الهواء
يمكنها زيادة كفاءة المحفزات التى تساعد على تحويل المواد الضارة الناتجة من عوادم السيارات على سبيل المثال الى مواد غير ضارة .
http://www.understandingnano.com/air.html
- فى تنقية الماء
http://www.understandingnano.com/water.html
- فى صناعات الانسجة
http://www.understandingnano.com/fabrics.html
- فى صناعة الادوات الرياضية
وخاصة فى رياضة التنس او الغولف حيث انها تزيد من قوة الكرات و المضارب.
http://www.understandingnano.com/sporting_goods.html
- كمجسات كيميائية
http://www.understandingnano.com/sensor.html
الطب والنانوتكنولوجى:
من المدهش ان النانو تكنولوجى يمكنها توصيل مواد معينة كالادوية او الحرارة او الضوء او اى مواد اخرى الى خلايا معينة مستهدفة بداخل جسم الانسان دون التاثير على الخلايا السليمة.
هندسة الجزيئات التى تستعمل بهذه الطريقة تسمح بالكشف او معالجة الامراض او الاصابات ضمن الخلايا الموجهة فيمكن بهذه الطريقة استخدامnano-robotsلجعل الاصلاحات بشكل ادق وعلى المستوى الخلوى.
وكان اول من لفت الانظار لاستخدام هذه التكنولوجيا فى مجال الطب الدكتور مصطفى السيد المصري وسيذكر لاحقا.
1-تطبيقات فى الطب فى الوقت الراهن:
-nano-crystalline silver تستخدم كمادة مضادة مضادة للميكروب(مطهرة)فى الجروح
-nanoshells وتستخدم لتركيز الاشعة تحت الحمراء مباشرة على الخلايا المسرطنة دون التاثير على الخلايا السليمة المحيطة بها وقد تم اختبارها بنجاح فى المعمل ولكن لم تطبق على الانسان نظرا للقيود ضد التجارب على الانسان.
-تستخدم فى صنع بعض المراهم للوقاية من اشعة الشمس فوق البنفسجيةUV.حيث انهاتحجب الاشعة كلها وفى نفس الوقت يبقى المرهم شفافا .
وفيما يلى بعض الشركات التى تتيح منتجات بتقنية النانوتكنولوجى:
| Product | Company |
| Gold nanoparticles for targeted delivery of drugs to tumors | CytImmune |
| Antimicrobial wound dressings using silver nanocrystals | Nucryst |
| Nanoparticles that target tumor cells, when irradiated by xrays the nanoparticles generate electrons which cause localized destruction of the tumor cells. | Nanobiotix |
| Disease identification using gold nanoparticles (biomarkers) | Oxonica |
| Nanoparticles for improving the performance of drug delivery by oral, inhaled or nasal methods | Nanotherapeutics |
| Nanoemulsions for nasal delivery to fight viruses (such as the flu and colds) and bacteria | NanoBio |
| Oral drug delivery of drugs encapuslated in a nanocrystalline structure called a cochleate | BioDelivery Sciences |
| Magnetically responsive nanoparticles for targeted drug delivery and other applications | NanoBioMagnetics |
| Medical gauze containing aluminosilicate nanoparticles which help bood clot faster in open wounds. | Z-Medica |
2-تطبيقات مازالت تحت التطوير:
-Qdots وتستخدم للكشف التحديدى لمكان الخلايا المسرطنة فى الجسم.
-nanoparticles وتستخدم لتوصيل العلاج الكيميائى للخلايا المسرطنة مباشرة لتجنب تدمير الخلايا السليمة.
-nanotubes وتستخدم فى حالات العظام المكسورة لتزويد هيكل جديد يساعد العظام على الالتحام والنمو
-nanoparticles وهى تستطيع الالتصاق الخلايا المصابة بالامراض المختلفة وبذلك تمكن الدكتور من التعرف عليها فى عينات الدم على سبيل المثال.
*الدكتور مصطفى السيد وعلاج السرطان بهذه التقنية
- نجح الأستاذ الدكتور مصطفى السيد بمعاونة فريقه الذي يقوده في معمل ديناميكيات الليزر بمدينة أطلنطا الأمريكية في التوصل لأول مرة لشفاء سرطان الجلد بنسبة 100% على الحيوانات، وذلك باستخدام قضبان ذهب أو فضة فائقة الدقة والصغر Nanorods في رصد الخلايا السرطانية والالتصاق بها ثم بإطلاق شعاع ليزر منخفض الطاقة تكتسب هذه القضبان حرارة كافية لإتلاف الخلايا المصابة بينما لا تمس الخلايا السليمة في الجسم بسوء في آلية تعد الأولى من نوعها.
- البروفيسور مصطفى السيد في سبيله للبدء في إجراء تجاربه على البشر، وعما قريب - إن شاء الله - قد تطيّر وكالات الأنباء خبر حصوله على جائزة نوبل - أمد الله في عمره - حيث ذكرت وكالة أنباء الشرق الأوسط أن العالم المصري يتوقع تطبيق اختراعه في علاج السرطان بقذائف الذهب النانوية خلال سبع سنوات من الآن.
- هذا الفتح العلمي دفع الرئيس الأمريكي بوش لاستقبال العالم الكبير في حفل يقام بالبيت الأبيض مساء الإثنين 29-9-2008 ليكرمه ويحتفي به ويمنحه قلادة العلوم الوطنية الأمريكية التي تعد من أرفع الأوسمة الأمريكية في العلوم.
- وبحسب حيثيات منحه الوسام الأعلى للعلوم في أمريكا لعام 2007 فإنه يأتي تقديرا لإسهاماته في التعرف على وفهم الخصائص الإلكترونية والبصرية للمواد النانوية وتطبيقها في التحفيز النانوي والطب النانوي ولجهوده الإنسانية للتبادل بين الدول ولدوره في تطوير قيادات علوم المستقبل، ويرشح لهذه الجائزة التي تمنح سنويا في مختلف مجالات العلوم ثمانية من العلماء الأمريكيين.
- والحقيقة أن المعمل الذي يقوده الدكتور مصطفى معني بالعديد من الدراسات والأبحاث العلمية وعدد من التطبيقات التقنية، أهم ما يعنينا فيها دراسة استخدام الدقائق النانوية nanoparticles في الطب وهو توجه هام في التقنية النانوية nanotechnology، والأهم أن دقائق الذهب والفضة لهما خصائص ضوئية فيما يتعلق بامتصاص سطحهما للضوء وتشتيته دفعت الدكتور مصطفى وفريقه إلى تطبيقها في مجال الطب وتحديدا سرطان الجلد.
- (spherical gold or silver nanoparticles )وقد انصبت الدراسة والبحث من الناحية التشخيصية على سرطان الجلد، حيث وجد أن دقائق الذهب أو الفضة الكريةتلتصق بالخلايا السرطانية الخبيثة وحدها، وبذلك يمكنها رصد أي ورم بالجلد، حيث تتجمع دقائق الذهب النانوية لتشكل طبقة مضيئة على جسم الخلية المريضة وحدها عند الرصد تحت المجهر، بينما لا ترى الخلايا السليمة فتبدو مثل كوكبة مضيئة وسط مجال معتم.
ثم بتسليط شعاع ليزر مرئي منخفض الطاقة على هذه الدقائق تتحول إلى حرارة بامتصاص ضوء
ويمكن ملاحظة الفارق الواضح في الصورة السابقة (يسار) حيث تظهر تحت الميكروسكوب دقائق الذهب كأجسام فائقة الصغر مضيئة وسط مجال معتم، ما يعني قدرة انتقائية فائقة لدقائق الذهب للالتصاق بالخلايا المتسرطنة السطحية بالجلد.
- وأوضح أن أبحاث النانو تكنولوجي تشمل جميع الفلزات والمواد الخام ، إلا أن معدن الذهب له ميزة طبية في عدم مقاومة الجسم له ، ولاسيما أنه يدخل الخلايا الحية بسهولة ، وهو ما أثبتته أبحاثه التي استمرت سنوات بالاشتراك مع مجموعة من العلماء.
كما يقول البروفيسير فإن النانو ذهب يتميز بقدرات على دخول الخلايا وعكس الضوء بشدة مع تحويل جزء منه لحرارة قادرة على تدمير الخلية السرطانية إذا تعرضت لإطلاق شعاع ليزر منخفض الطاقة..
و قد توقع العالم المصري ـ الأمريكي الجنسية ـ أن يكون هذا العلاج أقل تكلفة من ناحية المواد المستخدمة فيه من العلاج بالليزر حيث قد يكفي ميكروجرام واحد (واحد على ألف من جرام الذهب) لعلاج كبد مصاب بالسرطان..
وتوقع الدكتور"مصطفى" أن يتم الأخذ بهذا الأسوب في علاج السرطان بعد أن تقره إدارة الأغذية والعقاقير الأمريكية، التي تعد البوابة الوحيدة التي تخرج منها كافة تراخيص استخدام العقاقير والأغذية في الولايات المتحدة، إن لم يكن في العالم كله، وهي فترة قال أنها قد تصل إلى سبع سنوات
وحذر بمرارة من احتمال استخدام الصينيين لاختراع من المفترض أنه صاحبه وقال أن الصين لاتولي أي اهتمام لمثل هذه الاعتبارات.
*التصورات المستقبلية فى مجال النانو تكنولوجى
- المصانع المستقبلية ستقوم بعمل كل شيء، من الأثاث حتى الصواريخ بجودة تتفوق على كل ما صنع قبلا وبتكلفة ضئيلة جدا ، ستتمكن بعض الكمبيوترات من الاندماج مع العقل البشرى مضيفة بالتالي ذكاء الى ذكائه الطبيعي بنسبة كبيرة.
- ويمكن زرع الات دقيقة جدا تسير فى الدورة الدموية لمحاربة المرض او الضعف.
- يمكن باستخدام هذه التقنية أن يتمّ «تفصيل» مركّبات من ذرّات معيّنة انتقائيّا باليد، وسيصبح بالإمكان إيجاد مركّبات بمواصفات ليست موجودة في الطبيعة، وبكلّ المقاييس من المستوى الذري إلى مستوى ناطحات السحاب، وبالتالي إيجاد عمليّات تصنيعيّة زهيدة الثمن وعالية الأداء، مما سيمهّد الأساس لمستقبل مزدهر لتقنيّة المعلمومات.
- كما نعلم اننا الان اصحبنا فى عصر يكترث بحجم الحاسبات بشكل كبير وبالتالى فهذه التقنية ستمكننا من الحصول على حاسبات فى احجام ساعات اليد او اصغر.
- بالنسبة للملابس ستتمكن من وضع معلومات حول صحتنا و ازالة الاتربة بها وخاصية التسخين والتبريد.
- وسيمكن صناعة غرفة عملّيات كاملة في كبسولة صغيرة، يتمّ وضعها داخل جسم المريض لتقوم بتنفيذ برنامج العمليّة الذي برمجه الطبيب فيها حسب حالة المريض.
- ومن تجربته الخاصه ، العالم العربي الأميركي منير نايفة يقول : " ما اكتشفناه في مختبري في جامعة الينوي الأميركية، انه اذا ما أخذنا مادة السيليكون المعتمة جدا جدا والتي هي المكون الرئيسي للأرض والرمال وكل الأجسام في الكون، وعملنا منها حبيبة بقطر واحد نانو، فنصبح نراها تتألق بلون أزرق شديد جدا تحت تأثير الضوء البنفسجي، وباللغة العامية وكأننا حولنا الرمل الى مادة متألقة
هل يصبح ماكان خيالا واقعا ملموسا ؟
جاء في الخبر ان في وسع الناس ان يرتاحوا من هموم غسل الثياب وتنظيفها لان القماش الجديد المتوافر كفيل بتنظيف نفسه بنفسه وبطريقة صحية أكثر مما نعرف، بل صار في وسعهم ان يرتاحوا من هموم ثياب الصيف وثياب الشتاء لان القماش الرقيق المتوافر كفيل بعزل الجسم عن برد الشتاء وعن حر الصيف!
وجاء في خبر آخر ان روبوتات أصغر حجماً من الجراثيم باتت قادرة على دخول جسم الانسان والانتشار فيه وتخليصه من الجراثيم والفيروسات والخلايا السرطانية، بل قادرة على ان تصير بديلاً من الادوية في علاج الأمراض المزمنة مثل السكر وارتفاع ضغط الدم والخرف وغيرها!
وجاء في خبر ثالث ان شخصاً يحمل في يده حقيبة صغيرة وصل الى قرية نائية لا تزال بكل المقاييس خارج هذا الزمن واستطاع بما في حقيبة من معدات ان يحدث ثورة صناعية وتكنولوجية في القرية!
خيال علمي أم حقيقة؟
الواقع في منزلة بين المنزلتين. لا القماش هذا متوافر بعد ولا الروبوتات التي تعالج الاورام السرطانية والامراض المزمنة متوافرة بعد وبالتأكيد لم يستطع أي شخص بعد ان يحدث ثورة صناعية في قرية نائية بمعدات تتسع لها حقيبة صغيرة. لكن هذا سيحصل في وقت ما في المستقبل قد لا يكون بعيداً جداً. فالانسان مشى خطوات جدية على طريق جعل كل هذا بل اكثر منه حقيقة. وقد فعل ذلك بعلم اسمه علم النانو وبوسيلة اسمها تكنولوجيا النانو. وأعترف انني كلما قرأت خبراً عن هذه التكنولوجيا أصبت بنوع من الدهشة ليس لصعوبة في فهم العلم وتطبيقاته بل للافاق التي تنفتح أمام الانسان وللوعد المتواصل بتحسين نوعية حياته على كل المستويات. فما هو النانو وعلمه؟ وما هي تكنولوجيا النانو والى أين وصلت في حياتنا والى أين ستصل؟
عندما نتكلم عن النانو يكون القصد مواد ذات احجام متناهية الصغر لا نراها بالعين المجردة. منمنمات غير مرئية. ولنحاول ان نتصور الحجم:
خذوا متراً وقسّموه الف قسم تحصلوا على ميلليمترات. ثم قسموا الميلليمتر الواحد الف قسم فتحصلون على الميكرومترات. ثم قسّموا الميكرومتر الواحد الف قسم فتحصلون على النانومترات. هذا تماماً ما نتكلم عنه هنا: واحد من المليار من المتر أو واحد من المليون من الميلليمتر.
يصعب تصور الحجم؟
خذوا شعرة من رأسكم. شعرة واحدة. رفيعة جداً اليس كذلك؟ اذا كانت شعرة شقراء فقطرها يرواح بين 15 الفاً و50 الف نانومتر، واذا كانت شعرة سوداء فقطرها يرواح بين 50 الفاً و180 الف نانومتر.
أو خذوا ورقة. سماكتها 100 ألف نانومتر.
هذا في الحجم. وعلم النانو يتعامل مع مواد تراوح احجامها بين نانومتر واحد و100 نانومتر فقط. هذا هو المقياس. والهدف هو اكتشاف سلوك جديد وخصائص جديدة للمواد على هذا المقياس. علم النانو يتعامل مع ذرات أو جزيئات يعيد ترتيبها بشكل أو أشكال مختلفة الامر الذي تنتج منه خصائص جديدة ووظائف جديدة للمادة. بعض المواد تصير أفضل للاستخدام في الكهرباء أو الحرارة. بعضها الآخر يصير أقوى أو يعكس الضوء على نحو أفضل أو يغّير لونه مع تغيّر حجمه. مثل: الذهب يحافظ على خصائصه ما دام في الامتار وصولا حتى الميكرومتر. أصفر لمّاع ناعم الملمس وفي الوقت عينه موصل ممتاز للحرارة والكهرباء. ولكن متى صار على مقياس النانو فلا يعود الذهب الذي نعرف. تتغيّر خصائصه الكيميائية ويتغير لونه. واذا أعيد ترتيب ذرات الذهب على مقياس النانو يتغيّر سلوكه تغيّراً مذهلاً: تبدأ الذرات بامتصاص الضوء ويمكن تحويله حرارة بل حرارة كافية لتصير مثل مبضع حراري منمنم قادر على قتل خلايا غير مرغوب فيها في الجسم.
مثل آخر: أنابيب الكربون التي تصير أقوى من الحديد عندما يعاد ترتيب ذراتها على مقياس النانو. قطر الانبوب واحد على مئة الف من شعرة رأس الانسان وهو قوي على نحو لا يمكن تصوره. لذا فانها تستخدم الآن في صناعة الدراجات الهوائية وبعض قطع السيارات . وثمة علماء يعتقدون أن في الإمكان مزج أنابيب الكربون النانوية مع البلاستيك لتشكيل تركيبات خفيفة جدا لكنها اقوى من الحديد. تخيلوا ان تحل هذه المادة مستقبلاً محل الحديد في السيارات وتخيلوا عندها التوفير في المحروقات. ولان هذه الانابيب توصل الكهرباء والحرارة أفضل من أي معدن آخر، فإنه يجري درس امكان استخدامها في حماية الطائرات من الصواعق.
باختصار، إن اعادة ترتيب ذرات أي مادة تحمل في كثير من الاحيان مفاجآت في اظهار خصائص جديدة، الامر الذي يسمح باستخدامات جديدة لها وبتسخيرها لخدمة الانسان. العلماء يقولون إنه اذا اعدنا ترتيب ذرات الفحم يمكننا الحصول على ألماس. واذا اعدنا ترتيب ذرات الرمل وأضفنا بعض العناصر الاخرى يمكننا الحصول على رقائق الكومبيوتر. واذا اعدنا ترتيب ذرات في الطين والماء والهواء يمكننا الحصول على بطاطا.
وتكنولوجيا النانو هي الطريقة التي توضع بواسطتها مثل هذه الاكتشافات موضع التطبيق بحيث يستفاد من الخصائص الجديدة للمواد وتكون النتيجة مواد جديدة أو منتجات أقوى وأصغر وأسرع وأرخص وأكثر تطوراً وفاعلية ودقة.
هذا ببساطة، يقول العلماء، يعني ثورة علمية هائلة لا تقل عن الثورة الصناعية التي نقلت الانسان الى عصر الالات والصناعات أو ثورة التكنولوجيا التي نقلت الانسان الى عصر الفضاء والاتصالات والانترنت. تقنية تبشر بقفزة هائلة في كل فروع العلوم والهندسة وكل مجالات الطب الحديث والاقتصاد العالمي والعلاقات الدولية كما في كل تفاصيل الحياة اليومية للانسان العادي. فما تعد به تكنولوجيا النانو هو القدرة على صنع كل ما يتخيله الانسان بكلفة أقل، وهذه القدرة ستكون مفتاح التقدم العلمي الذي سيغير معالم الحياة على نحو قد لا يستطيع الانسان تصوّر كل ابعاده اليوم.
هناك من يحلم اليوم مثلاً بصنع سفينة فضائية في حجم الذرة تبحر في جسم الانسان لاجراء عملية جراحية معقدة ثم الخروج منه من دون جرحه عملياً. وبموجات كهرومغناطيسية تخفي اي جسم – سيارة أو طائرة أو غيرها – بمجرد ملامسته إياه فلا يراه رادار. وبسيارة بحجم الحشرة وطائرة بحجم البعوضة وبزجاج طارد للاتربة وغير موصل للحرارة. وبأقمشة لا يخترقها الماء على سهولة خروج العرق منها ولا تخترقها الحرارة لا صيفا ولا شتاء.
ولكن ما يبدو خيالاً ليس كله خيالاً أو أحلاماً. في 1959 قال الفيزيائي الاميركي الحائز جائزة نوبل ريتشارد فينمان إن ما يبدو ضرباً من الخيال العلمي اليوم قد يصير حقيقة غداً، ذلك ان لا سبب حقيقياً يمنع اعادة بناء الاشياء على مستوى الذرة أو الجزيئات.
وفي 1986 توقع الباحث الاميركي اريك دركسلر "أن روبوتات مبرمجة بحجم الذرة ستتمكن في المستقبل من الامساك بجزيئات الانسان وتضعها في المكان الذي نحدده لها. وسنتمكن من نسخ اشياء جديدة ذرة ذرة سواء أكانت سيارة أم حبة فريز... ليست ثمة حدود". قال البعض يومذاك أيضاً إنه خيال علمي.
تغيرت الاحوال. منذ عقدين تقريبا يطوّر العلماء والمهندسون قدراتهم للتحكم بالعمل على مقياس النانو. والآن صارت لديهم صورة أوضح على امكانات ايجاد مواد نانوية ذات خصائص فريدة والتركيز يجري على: تكنولوجيات تعالج التحديات الكبرى في العالم بما فيها بلوغ طاقة آمنة ونظيفة، مواد أشد صلابة وأخف وزناً، مصافٍ لتنقية مياه الشرب بكلفة مخفوضة، معدات وأجهزة طبية وأدوية من أجل تشخيص أمراض ومعالجتها بفاعلية أكبر وتأثيرات جانبية أقل، اجهزة استشعار تحدد العناصر الكيميائية والبيولوجية المؤذية للبيئة.
وفي العقدين الاخيرين منحت جوائز نوبل عدة تتعلق بتكنولوجيا النانو حاز احداها العالم المصري الاصل أحمد زويل الذي استخدم هذه التكنولوجيا في ابتكار كاميرا تستطيع تصوير تفاعلات الذرة خلال كسر من عُشر من النانوثانية، مما فتح مجالاً للتدخل والتحكّم في الذرات.
وارتبط مصطلح تكنولوجيا النانو في السنوات الاخيرة بمجال الصناعات الالكترونية المتصلة بالمعلوماتية وخصوصاً الرقائق المستعملة في الكومبيوتر الشخصي وتقلّص سماكة الكابلات، مما قصّر المسافات التي تقطعها الالكترونات ووفر للكومبيوتر سرعة أكبر في تنفيذ العمليات ووسّع ذاكرته. المعادلة الجديدة تضاؤل الحجم وتضاعف القدرة. لكن الابحاث مستمرة على كل الصعد لاستخدام تكنولوجيا النانو، والواقع ان الكثير من المنتجات التي تستخدمها صارت في الاسواق أيضاً ولو لم ننتبه اليها. من هذه مثلا ضمادات للجروح مضادة للجراثيم تستخدم ذرات من الفضة. بودرة ناشفة نانوية يمكنها تحييد المواد السامة في البقع الكيميائية. بطاريات مصنّعة لمعدات معينة تكون أسرع وتعطي طاقة أكبر. مواد تجميل وأغذية ومضادات لاشعة الشمس يقول منتجوها إنهم يعتمدون الصيغة النانوية في بعض المقادير لانها تزيد الفاعلية.
البحث لا يتوقف. ونادرا ما ينقضي اسبوع لا يكون فيه خبر أو أكثر عن اكتشافات جديدة في تكنولوجيا النانو أو اختراقات معينة أو استثمارات اضافية أو انشاء مراكز ابحاث. ومن ابرز ما قرأت في الاسابيع الاخيرة:
تكنولوجيا نانو جديدة تطيل عمر حشوات الاسنان. فالطبقة بين السن والحشوة تبدأ بالتشقق تقليدياً بعد سنة تقريبا لكن الابحاث تصل الى حبيبات مصنوعة من مادة جديدة تستند الى فوسفات الكالسيوم الذي هو مكون أساسي للاسنان والعظام مع نوعين من البروتينات ومتى وضعت في السن تلتصق الحبيبات بها نهائياً.
تكنولوجيا نانو جديدة تساعد في معالجة الاورام السرطانية وخصوصاً سرطان الرحم. والبحث يقترح حقن جزيئات في الجسم تعيد برمجة الخلايا المصابة وحماية الخلايا الصحيحة.
قماش مصنوع من الياف البوليستر ومغطى بملايين من خيوط السيليكون الدقيقة هو أكثر قماش مضاد للمياه اخترع حتى الآن. وبحسب البحث فإن نقاط المياه تتجمع مثل الطابات الصغيرة على سطح القماش وعندما يميل الشخص الذي يرتديه تنهمر المياه من غير ان تترك أثراً على القماش. السر في خيوط السيليكون ذات الرؤوس الحادة التي يبلغ قطرها 40 نانومتراً. هذه الخيوط تصنع طبقة من الهواء تضمن عدم وصول المياه الى القماش.
وقبل الكلام عن القماش الذي لا يتبلل ولو نُقع في المياه أشهراً، كان الكلام عن الاقتراب من مرحلة الثياب الذاتية التنظيف. فريق من أوستراليا يقوده الباحث وليد داود يعمل الآن على تطوير عملية قد تؤدي الى تنظيف ذاتي للصوف والحرير. فقد وجد الفريق وسيلة لتغليف الياف الاقمشة بحبيبات من مادة أوكسيد التيتانيوم قادرة على تكسير الاغذية والاوساخ وحتى بقع النبيذ الاحمر والزيت اذا تعرضت لاشعة الشمس. ويقول داود إن هذه العملية لا تؤذي جلد الانسان ولا تحلل الصوف ولا تؤثر على مظهر القماش أو ملمسه وستكون اختراقاً جباراً وخصوصاً لمن يرتدي الثياب البيضاء كل الوقت كما في المستشفيات. واذ يتوقع ان يصير هذا الصوف في الاسواق بعد سنتين، فإنه يبدو واثقا من ان "ميزة التنظيف الذاتي ستصير ميزة ثابتة في اقمشة المستقبل وغيرها من الاقمشة المستخدمة للحفاظ على النظافة ومنع انتشار الاوبئة، خصوصا ان بعض الجراثيم يعيش ثلاثة اشهر على سطح الاقمشة"، والارجح ان التنظيف الذاتي سيتجاوز الاقمشة الى مواد أخرى للحفاظ على النظافة ومنع انتشار الجرائيم والاوبئة. وقيمة هذا الاختراع لا تقف عند حدود الرغبة في استهلاكه ميزته هذه بل لانه سيحد من استخدام المياه والمواد الكيميائية وحتى الطاقة.
ويبدو ان صناعة السيارات هي بوابة واسعة جداً لاستخدامات تكنولوجيا النانو مستقبلاً. بعد الوصول الى زجاج لا يُخدش بفضل فيلم رقيق جداً يحميه كما يحمي زجاج النظارتين، فإن الابحاث تجرى للوصول الى تغليف نانوي لزجاج السيارات يكون مضاداً للمياه بحيث يمكن الاستغناء كليا عن المساحات ويكون مضاداً للاملاح والاوساخ وخصوصاً اوساخ الطيور ويكون مضاداً للحرارة فيمنع تسرب الحرارة أو انعكاسها فيمكن المرء ايقاف سيارته تحت اشعة الشمس من غير ان يخشى ان يجدها كالفرن عندما يعود اليها. والى الزجاج هناك الدهان. الابحاث تتجاوز بلوغ دهان للسيارة لا يتشقق، الى تصميم دهان على شكل خلايا للطاقة الشمسية بحيث ان الكهرباء التي تتولد من هذه الخلية عندما تكون السيارة متوقفة يعاد استخدامها لشحن البطارية أو تبريد السيارة عندما تتحرك. وأكثر من ذلك. ابحاث تمتد من كل انواع اجهزة الاستشعار الممكنة في السيارة الى خلايا المحروقات بحيث ينخفض استهلاك السيارة منها وتزداد فاعليتها ويقل تلويثها. ويقول المعنيون في هذا المجال إن كل مادة مستخدمة في صناعة السيارات ستخضع لتكنولوجيا النانو في غضون عشر سنين.
آفاق لا حدود لها تدفع الحكومات الى تخصيص مبالغ كبيرة لابحاث تكنولوجيا النانو والى انشاء مراكز متخصصة وتدفع الشركات الى تبنّيها والى قيام شركات جديدة. أموال بالمليارات تضخها الدول وشركات خاصة لدعم هذا المجال لم يوقفها الركود الاقتصادي، وجامعات أنشأت دوائر خاصة بهذا العلم أو هي تحاول اللحاق بمن سبقها اليه.
الولايات المتحدة التي أطلقت المبادرة الوطنية لتكنولوجيا النانو ايام الرئيس بيل كلينتون تخصص لها 1،6 مليار دولار في موازنة 2010، علما ان 25 دائرة ووكالة حكومية تشارك فيها. وهناك مراكز ابحاث على مستويات مختلفة في عشرات الدول، وقبل ايام مثلاً افتتحت اسبانيا والبرتغال مركز ابحاث مشتركاً لهذه التكنولوجيا في شمال البرتغال باستثمار أولي قيمته 140 مليون دولار. وقبل أيام أيضاً اعلنت ايران انها تسعى الى أن تصير من الدول الـ15 الاولى لتكنولوجيا النانو بحلول 2015 بعدما كانت بلغت المرتبة 19 عام 2008 وكانت في المرتبة الـ57 يوم انشأت مركز ابحاثها عام 2004.
اذاً العالم يستعد لهذه الثورة الجديدة التي تقوم في الاساس على فهم جوهري لطريقة عمل الطبيعة على المستوى الذري وعلى تقليد اسرارها في بلورة عمليات وتفاعلات وفي بناء آلات ومعدات. وسيطلق هذا الفهم جملة من الاكتشافات والصناعات الجديدة تماما كما ان فهم طريقة انتقال الالكترونات اوصل الانسان الى الكهرباء والتلفون والكومبيوتر والانترنت وغيرها من الصناعات.
يجمع العلماء على ان الاختراق الذي تحققه تكنولوجيا النانو يُقارَن بالثورة الصناعية ولكن مضغوطاً بعدد أقل من السنين. لهذا يحذر كثيرون من مخاطر حصول اضطرابات في مجالات اجتماعية وسياسية عدة، فيما يرى آخرون أن في هذه التكنولوجيا يكمن العلاج للتحديات الكبرى التي تواجه العالم.
هؤلاء يشيرون الى أربعة تحديات. الاول النقص في المياه ويلفتون هنا الى ان أكثر المياه تستخدم للصناعة والزراعة لكن حاجات هذين المجالين من المياه ستنخفض الى حد كبير نتيجة منتجات نانوية. الثاني مأساة استمرار الامراض المعدية في أماكن كثيرة من العالم ويقولون ان منتجات نانوية بسيطة مثل مصافٍ لتنقية المياه وشبكات لالتقاط البعوض يمكن ان تخفف المشكلة. الثالث نقص المعلومات والاتصال في أماكن كثيرة من العالم ويقولون إن الكومبيوترات وأجهزة العرض ستصير رخيصة على نحو يصعب تصديقه. والرابع عدم توفر الطاقة والكهرباء في مناطق عدة من العالم ويقولون إن بناء فعالاً ورخيصاً للطاقة ومولدات الكهرباء واجهزة تخزين الطاقة ستسمح بجعل الطاقة الشمسية المصدر الرئيسي للطاقة في العالم يستفيد منها كل انسان بمعزل عن منطقته.
إلا ان الحذرين يخشون اتساع الهوة في المعرفة وإن تكن تكنولوجيا النانو تعد بكلفة أقل لكل شيء ويخشون التفلت من اي قيود. هؤلاء يقولون إن قوة التكنولوجيا الجديدة قد تدفع دوليتن متنافستين الى سباق تسلح، خصوصاً ان الاسلحة واجهزة الاستطلاع ستصير أصغر وأرخص وأقوى ومتاحة بسهولة وتالياً فإن الأذى يصير شبه حتمي. ويلفتون الى ان المقياس الدقيق للاشياء قد يسمح بقيام سوق سوداء لبيع الاسلحة أو لتهريبها، بل يلفتون الى ان تهريب معامل نانو كاملة يصير امراً سهلاً.
والى هذه التحفظات، يأخذ مراقبون لتطور تكنولوجيا النانو على القيّمين عليها عدم الانفاق الكافي لتحديد مخاطرها الحقيقية وتأثيراتها السلبية، ويذهب البعض الى اتهامهم بتجاهل هذا الامر، ويقولون إن جزيئات النانو صغيرة بحيث يمكنها اختراق اجهزة المناعة البشرية أو غشاء الدماغ وتصل الى الاجزاء العميقة من الرئة أو الأوعية الدموية. وهذا وجه آخر لما تحمله من ايجابيات.
كل تطور له سلبياته ولائحة طويلة من التحفظات تترافق معه اضافة الى خوف الكثيرين من مبدأ التغيير، فكيف اذا كان تقدماً يعد الانسان بعبور عتبة جديدة في نوعية حياته؟ ولكن مثل كل تطور أيضاً لا يستطيع الانسان ان يمنعه أو يوقفه بل سيجد في النهاية توازنه فيه. وتكنولوجيا النانو بدأت تحقق انجازات، وربما اذا تدارك الانسان انعكاساتها السلبية باكرا سيتمكن من ان يجني ثماراً كبيرة جداً. نعم، لماذا لا نحلم عندها بل اليوم بأشخاص يحملون في ايديهم حقائب صغيرة يصلون الى القرى النائية التي لا تزال بكل المقاييس خارج الزمن ويتمكنون بما في الحقائب من معدات من إحداث ثورة صناعية وتكنولوجية في القرية وادخالها الزمن.
وجاء في خبر آخر ان روبوتات أصغر حجماً من الجراثيم باتت قادرة على دخول جسم الانسان والانتشار فيه وتخليصه من الجراثيم والفيروسات والخلايا السرطانية، بل قادرة على ان تصير بديلاً من الادوية في علاج الأمراض المزمنة مثل السكر وارتفاع ضغط الدم والخرف وغيرها!
وجاء في خبر ثالث ان شخصاً يحمل في يده حقيبة صغيرة وصل الى قرية نائية لا تزال بكل المقاييس خارج هذا الزمن واستطاع بما في حقيبة من معدات ان يحدث ثورة صناعية وتكنولوجية في القرية!
خيال علمي أم حقيقة؟
الواقع في منزلة بين المنزلتين. لا القماش هذا متوافر بعد ولا الروبوتات التي تعالج الاورام السرطانية والامراض المزمنة متوافرة بعد وبالتأكيد لم يستطع أي شخص بعد ان يحدث ثورة صناعية في قرية نائية بمعدات تتسع لها حقيبة صغيرة. لكن هذا سيحصل في وقت ما في المستقبل قد لا يكون بعيداً جداً. فالانسان مشى خطوات جدية على طريق جعل كل هذا بل اكثر منه حقيقة. وقد فعل ذلك بعلم اسمه علم النانو وبوسيلة اسمها تكنولوجيا النانو. وأعترف انني كلما قرأت خبراً عن هذه التكنولوجيا أصبت بنوع من الدهشة ليس لصعوبة في فهم العلم وتطبيقاته بل للافاق التي تنفتح أمام الانسان وللوعد المتواصل بتحسين نوعية حياته على كل المستويات. فما هو النانو وعلمه؟ وما هي تكنولوجيا النانو والى أين وصلت في حياتنا والى أين ستصل؟
عندما نتكلم عن النانو يكون القصد مواد ذات احجام متناهية الصغر لا نراها بالعين المجردة. منمنمات غير مرئية. ولنحاول ان نتصور الحجم:
خذوا متراً وقسّموه الف قسم تحصلوا على ميلليمترات. ثم قسموا الميلليمتر الواحد الف قسم فتحصلون على الميكرومترات. ثم قسّموا الميكرومتر الواحد الف قسم فتحصلون على النانومترات. هذا تماماً ما نتكلم عنه هنا: واحد من المليار من المتر أو واحد من المليون من الميلليمتر.
يصعب تصور الحجم؟
خذوا شعرة من رأسكم. شعرة واحدة. رفيعة جداً اليس كذلك؟ اذا كانت شعرة شقراء فقطرها يرواح بين 15 الفاً و50 الف نانومتر، واذا كانت شعرة سوداء فقطرها يرواح بين 50 الفاً و180 الف نانومتر.
أو خذوا ورقة. سماكتها 100 ألف نانومتر.
هذا في الحجم. وعلم النانو يتعامل مع مواد تراوح احجامها بين نانومتر واحد و100 نانومتر فقط. هذا هو المقياس. والهدف هو اكتشاف سلوك جديد وخصائص جديدة للمواد على هذا المقياس. علم النانو يتعامل مع ذرات أو جزيئات يعيد ترتيبها بشكل أو أشكال مختلفة الامر الذي تنتج منه خصائص جديدة ووظائف جديدة للمادة. بعض المواد تصير أفضل للاستخدام في الكهرباء أو الحرارة. بعضها الآخر يصير أقوى أو يعكس الضوء على نحو أفضل أو يغّير لونه مع تغيّر حجمه. مثل: الذهب يحافظ على خصائصه ما دام في الامتار وصولا حتى الميكرومتر. أصفر لمّاع ناعم الملمس وفي الوقت عينه موصل ممتاز للحرارة والكهرباء. ولكن متى صار على مقياس النانو فلا يعود الذهب الذي نعرف. تتغيّر خصائصه الكيميائية ويتغير لونه. واذا أعيد ترتيب ذرات الذهب على مقياس النانو يتغيّر سلوكه تغيّراً مذهلاً: تبدأ الذرات بامتصاص الضوء ويمكن تحويله حرارة بل حرارة كافية لتصير مثل مبضع حراري منمنم قادر على قتل خلايا غير مرغوب فيها في الجسم.
مثل آخر: أنابيب الكربون التي تصير أقوى من الحديد عندما يعاد ترتيب ذراتها على مقياس النانو. قطر الانبوب واحد على مئة الف من شعرة رأس الانسان وهو قوي على نحو لا يمكن تصوره. لذا فانها تستخدم الآن في صناعة الدراجات الهوائية وبعض قطع السيارات . وثمة علماء يعتقدون أن في الإمكان مزج أنابيب الكربون النانوية مع البلاستيك لتشكيل تركيبات خفيفة جدا لكنها اقوى من الحديد. تخيلوا ان تحل هذه المادة مستقبلاً محل الحديد في السيارات وتخيلوا عندها التوفير في المحروقات. ولان هذه الانابيب توصل الكهرباء والحرارة أفضل من أي معدن آخر، فإنه يجري درس امكان استخدامها في حماية الطائرات من الصواعق.
باختصار، إن اعادة ترتيب ذرات أي مادة تحمل في كثير من الاحيان مفاجآت في اظهار خصائص جديدة، الامر الذي يسمح باستخدامات جديدة لها وبتسخيرها لخدمة الانسان. العلماء يقولون إنه اذا اعدنا ترتيب ذرات الفحم يمكننا الحصول على ألماس. واذا اعدنا ترتيب ذرات الرمل وأضفنا بعض العناصر الاخرى يمكننا الحصول على رقائق الكومبيوتر. واذا اعدنا ترتيب ذرات في الطين والماء والهواء يمكننا الحصول على بطاطا.
وتكنولوجيا النانو هي الطريقة التي توضع بواسطتها مثل هذه الاكتشافات موضع التطبيق بحيث يستفاد من الخصائص الجديدة للمواد وتكون النتيجة مواد جديدة أو منتجات أقوى وأصغر وأسرع وأرخص وأكثر تطوراً وفاعلية ودقة.
هذا ببساطة، يقول العلماء، يعني ثورة علمية هائلة لا تقل عن الثورة الصناعية التي نقلت الانسان الى عصر الالات والصناعات أو ثورة التكنولوجيا التي نقلت الانسان الى عصر الفضاء والاتصالات والانترنت. تقنية تبشر بقفزة هائلة في كل فروع العلوم والهندسة وكل مجالات الطب الحديث والاقتصاد العالمي والعلاقات الدولية كما في كل تفاصيل الحياة اليومية للانسان العادي. فما تعد به تكنولوجيا النانو هو القدرة على صنع كل ما يتخيله الانسان بكلفة أقل، وهذه القدرة ستكون مفتاح التقدم العلمي الذي سيغير معالم الحياة على نحو قد لا يستطيع الانسان تصوّر كل ابعاده اليوم.
هناك من يحلم اليوم مثلاً بصنع سفينة فضائية في حجم الذرة تبحر في جسم الانسان لاجراء عملية جراحية معقدة ثم الخروج منه من دون جرحه عملياً. وبموجات كهرومغناطيسية تخفي اي جسم – سيارة أو طائرة أو غيرها – بمجرد ملامسته إياه فلا يراه رادار. وبسيارة بحجم الحشرة وطائرة بحجم البعوضة وبزجاج طارد للاتربة وغير موصل للحرارة. وبأقمشة لا يخترقها الماء على سهولة خروج العرق منها ولا تخترقها الحرارة لا صيفا ولا شتاء.
ولكن ما يبدو خيالاً ليس كله خيالاً أو أحلاماً. في 1959 قال الفيزيائي الاميركي الحائز جائزة نوبل ريتشارد فينمان إن ما يبدو ضرباً من الخيال العلمي اليوم قد يصير حقيقة غداً، ذلك ان لا سبب حقيقياً يمنع اعادة بناء الاشياء على مستوى الذرة أو الجزيئات.
وفي 1986 توقع الباحث الاميركي اريك دركسلر "أن روبوتات مبرمجة بحجم الذرة ستتمكن في المستقبل من الامساك بجزيئات الانسان وتضعها في المكان الذي نحدده لها. وسنتمكن من نسخ اشياء جديدة ذرة ذرة سواء أكانت سيارة أم حبة فريز... ليست ثمة حدود". قال البعض يومذاك أيضاً إنه خيال علمي.
تغيرت الاحوال. منذ عقدين تقريبا يطوّر العلماء والمهندسون قدراتهم للتحكم بالعمل على مقياس النانو. والآن صارت لديهم صورة أوضح على امكانات ايجاد مواد نانوية ذات خصائص فريدة والتركيز يجري على: تكنولوجيات تعالج التحديات الكبرى في العالم بما فيها بلوغ طاقة آمنة ونظيفة، مواد أشد صلابة وأخف وزناً، مصافٍ لتنقية مياه الشرب بكلفة مخفوضة، معدات وأجهزة طبية وأدوية من أجل تشخيص أمراض ومعالجتها بفاعلية أكبر وتأثيرات جانبية أقل، اجهزة استشعار تحدد العناصر الكيميائية والبيولوجية المؤذية للبيئة.
وفي العقدين الاخيرين منحت جوائز نوبل عدة تتعلق بتكنولوجيا النانو حاز احداها العالم المصري الاصل أحمد زويل الذي استخدم هذه التكنولوجيا في ابتكار كاميرا تستطيع تصوير تفاعلات الذرة خلال كسر من عُشر من النانوثانية، مما فتح مجالاً للتدخل والتحكّم في الذرات.
وارتبط مصطلح تكنولوجيا النانو في السنوات الاخيرة بمجال الصناعات الالكترونية المتصلة بالمعلوماتية وخصوصاً الرقائق المستعملة في الكومبيوتر الشخصي وتقلّص سماكة الكابلات، مما قصّر المسافات التي تقطعها الالكترونات ووفر للكومبيوتر سرعة أكبر في تنفيذ العمليات ووسّع ذاكرته. المعادلة الجديدة تضاؤل الحجم وتضاعف القدرة. لكن الابحاث مستمرة على كل الصعد لاستخدام تكنولوجيا النانو، والواقع ان الكثير من المنتجات التي تستخدمها صارت في الاسواق أيضاً ولو لم ننتبه اليها. من هذه مثلا ضمادات للجروح مضادة للجراثيم تستخدم ذرات من الفضة. بودرة ناشفة نانوية يمكنها تحييد المواد السامة في البقع الكيميائية. بطاريات مصنّعة لمعدات معينة تكون أسرع وتعطي طاقة أكبر. مواد تجميل وأغذية ومضادات لاشعة الشمس يقول منتجوها إنهم يعتمدون الصيغة النانوية في بعض المقادير لانها تزيد الفاعلية.
البحث لا يتوقف. ونادرا ما ينقضي اسبوع لا يكون فيه خبر أو أكثر عن اكتشافات جديدة في تكنولوجيا النانو أو اختراقات معينة أو استثمارات اضافية أو انشاء مراكز ابحاث. ومن ابرز ما قرأت في الاسابيع الاخيرة:
تكنولوجيا نانو جديدة تطيل عمر حشوات الاسنان. فالطبقة بين السن والحشوة تبدأ بالتشقق تقليدياً بعد سنة تقريبا لكن الابحاث تصل الى حبيبات مصنوعة من مادة جديدة تستند الى فوسفات الكالسيوم الذي هو مكون أساسي للاسنان والعظام مع نوعين من البروتينات ومتى وضعت في السن تلتصق الحبيبات بها نهائياً.
تكنولوجيا نانو جديدة تساعد في معالجة الاورام السرطانية وخصوصاً سرطان الرحم. والبحث يقترح حقن جزيئات في الجسم تعيد برمجة الخلايا المصابة وحماية الخلايا الصحيحة.
قماش مصنوع من الياف البوليستر ومغطى بملايين من خيوط السيليكون الدقيقة هو أكثر قماش مضاد للمياه اخترع حتى الآن. وبحسب البحث فإن نقاط المياه تتجمع مثل الطابات الصغيرة على سطح القماش وعندما يميل الشخص الذي يرتديه تنهمر المياه من غير ان تترك أثراً على القماش. السر في خيوط السيليكون ذات الرؤوس الحادة التي يبلغ قطرها 40 نانومتراً. هذه الخيوط تصنع طبقة من الهواء تضمن عدم وصول المياه الى القماش.
وقبل الكلام عن القماش الذي لا يتبلل ولو نُقع في المياه أشهراً، كان الكلام عن الاقتراب من مرحلة الثياب الذاتية التنظيف. فريق من أوستراليا يقوده الباحث وليد داود يعمل الآن على تطوير عملية قد تؤدي الى تنظيف ذاتي للصوف والحرير. فقد وجد الفريق وسيلة لتغليف الياف الاقمشة بحبيبات من مادة أوكسيد التيتانيوم قادرة على تكسير الاغذية والاوساخ وحتى بقع النبيذ الاحمر والزيت اذا تعرضت لاشعة الشمس. ويقول داود إن هذه العملية لا تؤذي جلد الانسان ولا تحلل الصوف ولا تؤثر على مظهر القماش أو ملمسه وستكون اختراقاً جباراً وخصوصاً لمن يرتدي الثياب البيضاء كل الوقت كما في المستشفيات. واذ يتوقع ان يصير هذا الصوف في الاسواق بعد سنتين، فإنه يبدو واثقا من ان "ميزة التنظيف الذاتي ستصير ميزة ثابتة في اقمشة المستقبل وغيرها من الاقمشة المستخدمة للحفاظ على النظافة ومنع انتشار الاوبئة، خصوصا ان بعض الجراثيم يعيش ثلاثة اشهر على سطح الاقمشة"، والارجح ان التنظيف الذاتي سيتجاوز الاقمشة الى مواد أخرى للحفاظ على النظافة ومنع انتشار الجرائيم والاوبئة. وقيمة هذا الاختراع لا تقف عند حدود الرغبة في استهلاكه ميزته هذه بل لانه سيحد من استخدام المياه والمواد الكيميائية وحتى الطاقة.
ويبدو ان صناعة السيارات هي بوابة واسعة جداً لاستخدامات تكنولوجيا النانو مستقبلاً. بعد الوصول الى زجاج لا يُخدش بفضل فيلم رقيق جداً يحميه كما يحمي زجاج النظارتين، فإن الابحاث تجرى للوصول الى تغليف نانوي لزجاج السيارات يكون مضاداً للمياه بحيث يمكن الاستغناء كليا عن المساحات ويكون مضاداً للاملاح والاوساخ وخصوصاً اوساخ الطيور ويكون مضاداً للحرارة فيمنع تسرب الحرارة أو انعكاسها فيمكن المرء ايقاف سيارته تحت اشعة الشمس من غير ان يخشى ان يجدها كالفرن عندما يعود اليها. والى الزجاج هناك الدهان. الابحاث تتجاوز بلوغ دهان للسيارة لا يتشقق، الى تصميم دهان على شكل خلايا للطاقة الشمسية بحيث ان الكهرباء التي تتولد من هذه الخلية عندما تكون السيارة متوقفة يعاد استخدامها لشحن البطارية أو تبريد السيارة عندما تتحرك. وأكثر من ذلك. ابحاث تمتد من كل انواع اجهزة الاستشعار الممكنة في السيارة الى خلايا المحروقات بحيث ينخفض استهلاك السيارة منها وتزداد فاعليتها ويقل تلويثها. ويقول المعنيون في هذا المجال إن كل مادة مستخدمة في صناعة السيارات ستخضع لتكنولوجيا النانو في غضون عشر سنين.
آفاق لا حدود لها تدفع الحكومات الى تخصيص مبالغ كبيرة لابحاث تكنولوجيا النانو والى انشاء مراكز متخصصة وتدفع الشركات الى تبنّيها والى قيام شركات جديدة. أموال بالمليارات تضخها الدول وشركات خاصة لدعم هذا المجال لم يوقفها الركود الاقتصادي، وجامعات أنشأت دوائر خاصة بهذا العلم أو هي تحاول اللحاق بمن سبقها اليه.
الولايات المتحدة التي أطلقت المبادرة الوطنية لتكنولوجيا النانو ايام الرئيس بيل كلينتون تخصص لها 1،6 مليار دولار في موازنة 2010، علما ان 25 دائرة ووكالة حكومية تشارك فيها. وهناك مراكز ابحاث على مستويات مختلفة في عشرات الدول، وقبل ايام مثلاً افتتحت اسبانيا والبرتغال مركز ابحاث مشتركاً لهذه التكنولوجيا في شمال البرتغال باستثمار أولي قيمته 140 مليون دولار. وقبل أيام أيضاً اعلنت ايران انها تسعى الى أن تصير من الدول الـ15 الاولى لتكنولوجيا النانو بحلول 2015 بعدما كانت بلغت المرتبة 19 عام 2008 وكانت في المرتبة الـ57 يوم انشأت مركز ابحاثها عام 2004.
اذاً العالم يستعد لهذه الثورة الجديدة التي تقوم في الاساس على فهم جوهري لطريقة عمل الطبيعة على المستوى الذري وعلى تقليد اسرارها في بلورة عمليات وتفاعلات وفي بناء آلات ومعدات. وسيطلق هذا الفهم جملة من الاكتشافات والصناعات الجديدة تماما كما ان فهم طريقة انتقال الالكترونات اوصل الانسان الى الكهرباء والتلفون والكومبيوتر والانترنت وغيرها من الصناعات.
يجمع العلماء على ان الاختراق الذي تحققه تكنولوجيا النانو يُقارَن بالثورة الصناعية ولكن مضغوطاً بعدد أقل من السنين. لهذا يحذر كثيرون من مخاطر حصول اضطرابات في مجالات اجتماعية وسياسية عدة، فيما يرى آخرون أن في هذه التكنولوجيا يكمن العلاج للتحديات الكبرى التي تواجه العالم.
هؤلاء يشيرون الى أربعة تحديات. الاول النقص في المياه ويلفتون هنا الى ان أكثر المياه تستخدم للصناعة والزراعة لكن حاجات هذين المجالين من المياه ستنخفض الى حد كبير نتيجة منتجات نانوية. الثاني مأساة استمرار الامراض المعدية في أماكن كثيرة من العالم ويقولون ان منتجات نانوية بسيطة مثل مصافٍ لتنقية المياه وشبكات لالتقاط البعوض يمكن ان تخفف المشكلة. الثالث نقص المعلومات والاتصال في أماكن كثيرة من العالم ويقولون إن الكومبيوترات وأجهزة العرض ستصير رخيصة على نحو يصعب تصديقه. والرابع عدم توفر الطاقة والكهرباء في مناطق عدة من العالم ويقولون إن بناء فعالاً ورخيصاً للطاقة ومولدات الكهرباء واجهزة تخزين الطاقة ستسمح بجعل الطاقة الشمسية المصدر الرئيسي للطاقة في العالم يستفيد منها كل انسان بمعزل عن منطقته.
إلا ان الحذرين يخشون اتساع الهوة في المعرفة وإن تكن تكنولوجيا النانو تعد بكلفة أقل لكل شيء ويخشون التفلت من اي قيود. هؤلاء يقولون إن قوة التكنولوجيا الجديدة قد تدفع دوليتن متنافستين الى سباق تسلح، خصوصاً ان الاسلحة واجهزة الاستطلاع ستصير أصغر وأرخص وأقوى ومتاحة بسهولة وتالياً فإن الأذى يصير شبه حتمي. ويلفتون الى ان المقياس الدقيق للاشياء قد يسمح بقيام سوق سوداء لبيع الاسلحة أو لتهريبها، بل يلفتون الى ان تهريب معامل نانو كاملة يصير امراً سهلاً.
والى هذه التحفظات، يأخذ مراقبون لتطور تكنولوجيا النانو على القيّمين عليها عدم الانفاق الكافي لتحديد مخاطرها الحقيقية وتأثيراتها السلبية، ويذهب البعض الى اتهامهم بتجاهل هذا الامر، ويقولون إن جزيئات النانو صغيرة بحيث يمكنها اختراق اجهزة المناعة البشرية أو غشاء الدماغ وتصل الى الاجزاء العميقة من الرئة أو الأوعية الدموية. وهذا وجه آخر لما تحمله من ايجابيات.
كل تطور له سلبياته ولائحة طويلة من التحفظات تترافق معه اضافة الى خوف الكثيرين من مبدأ التغيير، فكيف اذا كان تقدماً يعد الانسان بعبور عتبة جديدة في نوعية حياته؟ ولكن مثل كل تطور أيضاً لا يستطيع الانسان ان يمنعه أو يوقفه بل سيجد في النهاية توازنه فيه. وتكنولوجيا النانو بدأت تحقق انجازات، وربما اذا تدارك الانسان انعكاساتها السلبية باكرا سيتمكن من ان يجني ثماراً كبيرة جداً. نعم، لماذا لا نحلم عندها بل اليوم بأشخاص يحملون في ايديهم حقائب صغيرة يصلون الى القرى النائية التي لا تزال بكل المقاييس خارج الزمن ويتمكنون بما في الحقائب من معدات من إحداث ثورة صناعية وتكنولوجية في القرية وادخالها الزمن.
http://www.al-jazirah.com.sa/digimag/23052004/por36.htm
http://knol.google.com/k/shaza-elreweny/اخرما-توصل-له-العلم-تكنولوجيا-النانو/32hd8rbv8fbnm/2
http://www.mnafe-it.com/index.php?id=2325
عرف ان البعض سيظن ان الموضوع ممل نظرا لطوله ولكن في واقع الامر ما ان تلقي النظرة الاولى حتى ترى كم هو مشوقا ان تتعمق في هذا الموضوع
ردحذف